27/10/10

Mecanisme celulare i moleculare ale excitabilitii celulei nervoase

Interaciunea stimul - receptor - rspuns

fizic stimul chimic

Receptor Procesor

?

rspuns

1

27/10/10

Due to its ability to give rise to spontaneous activity, the brain does not simply process information but also generates information. ...spontaneous neuron activity, far from being mere noise, is actually the source of cognitive abilities. ...the source of spontaneous neuron p activity (noise), has never been identified and has been assumed to result from brains imperfections. Gyrgy Buzski

Premise

excitabilitate

identitate

permeabilitate selectiv membranar

evoluie

adaptabilitateInterrelaiile dintre proprietile membranei celulare i principalele dimensiuni ale existenei sistemelor biologice

2

27/10/10

Sistemul de transport ionic membranar (STIM) -C Canale ionice l i i - Pompe ionice - Transportori ionici

3

27/10/10

Extracelular Retinal legat de lizina

Bistrat lipidic (3nm)

Citosol Bacteriorodopsina (Alberts B. 2008)

transport membranarcanal proteic

transportori t t i

bistrat lipidic

Gradient de concentraie

difuzie simpla

mediat de mediat de canale transportori

mediat de pompe

transport pasivadaptat dup MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL. 2008

transport activ

4

27/10/10

Canale ioniceCarlo Matteucci (1811-68)a conceput (1811 68) termenul i a inregistrat curentul de leziune y ( ) Emil du Bois-Reymond (18181896) esutul viu este compus din molecule electrice

Canale ioniceSidney Ringer (18361910) Rolul Ca n contracia muscular n 1902, Julius Bernstein (1839-1917) , ( ) - celula excitabil este mrginit de o membran selectiv permeabil pentru K n repaus i devine permeabil pentru ali ioni n timpul excitrii In 1907, John Newton Langley (1852 1925) a introdus conceptul de molecul receptor pe suprfaa celulelor nervoase i musculare

5

27/10/10

Canale ioniceDefiniie - structuri proteice transmembranare, celulare sau subcelulare ce permit transportul ionic conform gradientului electrochimic(pasiv) Clasificare - f(x) mec. de funcionare: -canale ionice fr poart necontrolate poart, (nongated) -canale ionice controlate (gated)

Canale ioniceStructura- proteine coninnd pn la 2000 g g aa, organizate n 3-6 segmente transmembranare; peste 400 de gene controleaz formarea canalelor ionice 170 gene pt. canalele de K, 38 pt Ca, 29 pt Na, Na 58 pt Cl, 15 pt.receptorii Cl pt receptorii glutamatergici

6

27/10/10

Canale de Na+ voltaj- dependenteidentificat 1970

P

Structura canal de Na voltaj dependent

P

Canale ionice fr poart (de repaus)Clasificare: K+, Na+, Ca2+, Cl-asigur meninerea potenialului de repaus prin transportul ionic pasiv, n echilibru cu transportul activ primar i secundar -fluxul ionic de cca 1000 de ori mai fluxul cca. redus dect cel prin canale ionice controlate (cu poart)

7

27/10/10

Canale ionice Canale ionice controlate (gated)

- controlate (gated) de voltaj - controlate (gated) de mediator - controlate (gated) mecanic (g )

Canale ionice cu poartParticulariti: -permit un flux contolat mai rapid... rapid -particip la generarea, transmiterea sau modularea potenialului de aciune i t di it t i -prezint o diversitate mai mare -au fost descoperite primele -reprezint principala int terapeutic8

27/10/10

Canale ionice cu poart

Voltaj dependente

Canale de Na+ voltaj- dependenteidentificat 1970

P

Structura canal de Na voltaj dependent

P

9

27/10/10

Canale de Na+ voltaj- dependente-subunitatea - (1- 9/ Nav 1- 9) -1800-2000 aa -formeaz porul canalului -subunitatea - controleaz transportul ionic - ancoreaz canalul n membrana celular

Canale de Na+ voltaj- dependenteDistribuie, rol Nav 1-3, Nav 6-9 n SNP, SNC cu rol in durere pot fi mai multe tipuri pe acceai celul nervoas Nav1.6 n celule imune, microglia i macrofage Nav 4-5 n m. scheletic i miocard

10

27/10/10

Canale de Na+ voltaj- dependenteextracelular

membran celular+

poart de activare

poart de inactivare

REPAUS (nchis)

ACTIVAT (deschis) +

INACTIVAT (nchis) +

11

27/10/10

filtru de selecie

K+

ans de selecie

O O O

O O O

citosolK = 0,133 nm Na = 0,095 nm

vestibul por

Filtrul de selecie

Canale ionice cu poart

Controlate chimic

12

27/10/10

Canale ionice Ach

Schema generala a receptorului de NMDA NMDA N-metil-D-aspartat; PCP- fenciclidina; MK801 - dizocilpina

13

27/10/10

2 20 M, CA3 CONTROL

B Bicuculin

20 nM, CA3 00

K Kainat

CRIZ EVOCAT CRIZ

CRIZ SPONTAN

Bicuculina

Canale ionice cu poart

Controlate mecanic

14

27/10/10

STIM

situs de ancorare intracelular membran celular

protein fibrilar extrcelular membran celular intracelular

STIMextrcelular situs de ancorare

membran celular

intracelular protein fibrilar poart

15

27/10/10

POMPE IONICEparticulariti funcionale -t transport activ-ioni, mol. organice t ti i i l i - implic reacii enzimatice - rat mic de transport

POMPE IONICEtip P -P Pompa Na-K N K - Schatzmann 1953 glicozide cardiace - Skou, 1957 ATP-aza activata de Na i K 1977, PN

16

27/10/10

extracelular citosol

ROL

Pompa de CaExtracel A

Intracel. N Situsul ATP-azei Situs de legare a Ca2+ Calmodulin Situsul de legare a ATP

C

17

27/10/10

Transportori ionici- Na/Ca - Na/H - Na/HCO3 - Na/ aa, Na/G - Cl/HCO3 - Na/K/2Cl - K/Cl

H+ H+

K+

3Na+

Ca2+

TRANSPORTORI

POMPE

K+ Cl-

CANALE

K+ Ca2+

ClAA Na+ Cl-

18

27/10/10

Transport ionic membranar Concluzii Interrelaii excitabilitatemetabolism

Distribuia sarcinilor electrice

19

27/10/10

Concentraia intra- extracelular a principalilor ioni n celula mamiferelor (mMol) Ion Na+ K+ 2 Ca2+ Cl Mg2+ Extracelular Intracelular 145 12 4 155 1.8 18 0.001(rep) 0.1(activ.) 0 001(rep) 0 1(activ ) 123 4.2 1.5 0.8

Potenial de aciune

0 mV

PA Na+ K+

50

20

27/10/10

+20depolarizare repolarizare

Pm (mV)

depolarizare

- 60hiperpolarizare repolarizare timp (ms) Variaia potenialului de membran n raport cu activitatea celulei nervoase

Conducerea, transmiterea i procesarea semnalului n sistemul nervos

21

27/10/10

Repere istorice -

Conducerea, transmiterea i procesarea semnalului n sistemul nervosValenstein E S 2005. The war The of the soups and sparks- Columbia University Press

L.Galvani 1791- 97-electricitatea animal A.Volta-bateria electric -1800 Ch. Sherrington 1897- Sinapsa Otto Loewi-1920- Ach Cole i Curtis -1939, Hodkin & Katz1949- PA / Na

I. I Transmiterea sinaptic Transmiterea sinaptic electric Transmiterea sinaptic chimic II. Transmiterea nonsinaptic p Transmiterea hormonal Transmiterea auto- paracrin Transmiterea efaptic

Conducerea, transmiterea i procesarea semnalului n sistemul nervos

22

27/10/10

teaca de mielin nod Ranvier strat de mielin strat de mielin axon nucleu

I. Date generale SNC - 1011 neuroni;

Transmiterea i procesarea semnalului n sistemul nervo

- 1000 sinapse/neuron - neuron=microprocesor ? p

23

27/10/10

Tansmiterea sinaptic electric

model tridimensional al sinapsei electrice: A. Seciune prin sinaps. sinaps Fiecare din cele dou membrane conine cte o jumtate din canalul sinaptic. B.Conformaia B Conformaia conexonului variaz cu starea nchis/deschis. C. Semnificaie funcional ?

24

27/10/10

Gap J.- unda de Ca - reea astrocitar Gap J.- K - reea astrocitar Gap J.- miocard, m. neted J. Gap J.- pH, Ca Gap J.- transport mesageri secunzi Gap J.- teaca de mielina- B. CharcotMarie- Tooth

Transmitere efaptic

25

27/10/10

Myoclonus of peripheral origin: two case reports. Tyvaert L, Krystkowiak P, Cassim F, Houdayer E, Kreisler A, Deste A, Defebvre L. Mov Disord. 2009 Jan 30;24(2):2747

Bilateral processing in chemical synapses with electrical 'ephaptic' feedback: a theoretical model. Savtchenko LP. Math Biosci. 2007 May;207(1):11337. Epub 2006 Oct 7.PMID: 17112549

Rhythmic neuronal discharge in the medulla and spinal cord of fetal rats in the absence of synaptic transmission. Ren J, MomoseSato Y, Sato K, Greer JJ. J Neurophysiol. 2006 Jan;95(1):52734. Epub 2005 Sep 7

Neuron presinaptic Axon hillock+ + + + + + + +

Neuron presinaptic

Neuron postsinaptic

26

27/10/10

Transmiterea sinaptic chimic

Sinapsa chimicSegment presinapticAGONITI

ECelul glial

ANTAGONITI

Sinaps excitatorie Sinaps inhibitorie

Segment postsinaptic

27

27/10/10

Neurotransmitori cu molecul mic i enzimele lor de biosintezNeurotransmitor Neurotransmitor ACETIL COLIN AMINE BIOGENE Dopamin D i Epinefrin Norepinefrin Serotonin Histamin AMINOACIZI GABA Glutamat Glicin Glutamat decarboxilaz Specificitate probabil Enzime din metabolismul general Enzime din metabolismul general Cale specific nedeterminat Cale specific nedeterminat Tirozin hid Ti i hidroxilaz il Tirozin hidroxilaz i dopamin b hidroxilaz Tirozin hidroxilaz i dopamin b hidroxilaz Triptofan hidroxilaz Histidin decarboxilaz Specific Specific Specificitate incert Specific S ifi Enzime Colin acetiltransferaz Activitate Specific

Peptide cerebrale neuroactive clasificate dup localizarea tisularCategoria HORMONI ELIBERATORI HIPOTALAMICI HORMONI NEUROHIPOFIZARI PEPTIDE HIPOFIZARE Peptide TRH, GnRH, Somatostatin, CRH, GH-RH GHVasopresin, Oxitocin ACTH, B-endorfin, A-MSH, Prolactin, BALH, GH, TSH VIP, CCK, Gastrin, Neurotensin, MetMetEnkefalin, Leu-Enkefalin, SP, LeuInsulin, Glucagon, Bombezin, Secretin, SST, TRH, Motilin PAN Angiotensina II, Bradikinin, Calcitonin, CGRP, NPYY, Galanin, Substana K (Neurokinina A), Peptide de somn

PEPTIDE GASTROINTESTINALE

PEPTIDE CARDIACE

ALTELE

28

27/10/10

sinapsa colinergic

.

Receptori colinergici Nicotinici Ag.nicotina Atg. d-tubocurarina Muscarinici Ag.muscarina, pilocarpina Atg. atropina Ag.oxotremorina Atg. propilbenzilcolina

Nicotinici musculari Ag.feniltrimetilamoniu Atg. d-tubocurarina embrionar (1)2 jonctional (1)2

Nicotinici neuronali Ag.dimetilfenilpiperazina citisina Atg. trimetafan, bungarotoxin nicotinici neuronali li 2-5 nicotinici neuronali li 2-10

muscarinici M1-5

29

27/10/10

R. MUSCARINICI

Muscarinici M1 pirenzepin Muscarinici M2 metoctramin Muscarinici M3 hexahidrosiladifenidol Muscarinici M4 himbacin Muscarinici M5 ?

Distribuia receptorilor colinergici I. Distribuia periferic - m.scheletic (N) - s n v (N+M) II. Distribuia central SNC (N+M) III. Alte roluri orgs. unicelulare orgs. pluricelulare dezvoltare difereniere

30

27/10/10

I.Distribuia receptorilor colinergici Receptorii nicotinici musculari embrionari - pe t t suprfaa fibrei musculare toat f fib i l neinervat sau denervat - au o rat mare a turnoverlui Receptorii nicotinici musculari joncionali - la nivelul jonciunii neuromusculare - au o rat mic a turnoverlui

I.Distribuia receptorilor colinergici Receptorii nicotinici neuronali - sp.i psp.din creasta neural, au proprieti identice i i id i - gg. postsinp. sp.,psp. i MS. Receptorii muscarinici neuronali postgg.psp. m.n.visceral, - postgg psp - m n visceral miocard glande secretorii - postgg.sp.- piloerecie, sudoraie

31

27/10/10

II.Distribuia receptorilor colinergici -interneuronilor-corpul striat- controlul motor extrapiramidal i memorie -neuronilor de proiecie: din nc.bazali,conectati cu hipocampusul bulbul olfactiv i cortex.(Meynert- b. Alz. -din tr.cerebral, conectati cu talamusul, nc. interpeduncular,coliculii. sup - cel. Renshaw

Sinapsa ColinergicaTransportor Transportor vezicular de ACh Transportor de colina

Muscarinici carbachol edrofoniu Nicotinici musc. suxametoniu Nicotinici nn. lobelina Muscarinici atropina Nicotinici musc. D-tubocurarina Nicotinici nn. hexametoniu

ACh

vesamicolACh ChAT ACh

Colina AcCoA hemicolinium Colina + Colina + Ac-Ac

AChEACh Ach

-

fizostigmina

M.Gravis ?

32

27/10/10

Trasportor de colina (ChT)- 13 segmente transmembranare - grad mare de conservare filogenetic - in alte esuturi, (Km=10-100 mol/L) - in neuron Na dependent, situsuri de neuron, dependent fosforilare, (Km= 1-5 mol/L) - co-localizat n membr. vezicular cu VAchT i n membrana sinaptic

Trasportor de colina (ChT)- blocarea endocitozei colinei ? - nr. i activitii ChT din membrana sinaptic - stimularea sintezei i elib. ACh ? - nr. i activitii ChT din membrana sinaptic - captarea Ch = factor de control al biosintezei i eliberrii ACh - tratamentul cu hemicolin ?

33

27/10/10

Transportor vezicular de acetilcolina (VAChT)- 12 segmente transmembranare - gena localizat pe Cr.X in apropierea genei de sinteza a ChAT - este un antiporter H+ / ACh, ATP depentent - este inhibat selectiv de vesamicol

Acetilcolinesteraza (AChE)-Este un important factor de control al transmiterii sinaptice - animale knock out prezinta un tremor continuu, dezvoltare deficitar, disfuncii neurologice -Inhibitori AChE sarinul, compui I hibit i AChE: i l i organofosforici induc fibrilaii musculare, blocarea activitii musculare

34

27/10/10

Acetilcolinesteraza (AChE)-succinilcolina blocant muscular competitiv - miorelaxant - anticolinesteraze - tratament pentru i i miastenia gravis, B.Alzhaimer -inhibitori reversibili: edrofonium, galamina

sinapsa noradrenergic

35

27/10/10

Sinapsa noradrenergica

Subtipuri de receptori 1-adrenergici 1A Aminoacizi 430-476 Cromosom 8 Cale efectoare Ca2+, PKC Distributie inim, ficat inim ficat, cerebellum, cortex cerebral, vase sanguine 1B 515 5 Ca2+, PKC 1D 560 20 Ca2+, PKC

splin, rinichi, aorta, splin rinichi aorta creier fetal cortex cerebral vase sang

36

27/10/10

Subtipuri de receptori 2-adrenergici 2A 2B 2C 461 4 cAMP inim,plmn aorta, hipocampus bulb olfactiv,

Aminoacizi 450 450 Cromosom 10 2 Cale efectoare cAMP cAMP Distribution pancreas, ficat, intestin subire, talamus locus ceruleus hipocampus

Subtipuri de receptori -adrenergici 1 Aminoacizi Cromosom Cale efectoare Distributie 477 10 cAMP 2 413 5 cAMP 3 402/408 8 cAMP

inim, rinichi, plmn,ficat creier, cortex cerebral cerebellum cerebral, cerebellum, esut adipos hipotalamus hipocampus, cortex cerebral, muschi neted, bulb olfactiv

37

27/10/10

Caracteristici ale oarecilor knockout pentru receptori catecolaminergiciKnockoutReceptor adrenergic 1A Receptor adrenergic 1B Receptor adrenergic 1D Receptor adrenergic 2A Receptor adrenergic 2B Receptor adrenergic 2C R t d i Receptor adrenergic 1 Receptor adrenergic 2 Receptor adrenergic 3

FenotipScderea presiunii arteriale Scderea presiunii arteriale i a rspunsului la stimulenii SNC Scderea presiunii arteriale Creterea activitii simpatice, tahicardie Scderea rspunsului vasoconstrictor la agonitii 2 Fr F un fenotip evident f ti id t Majoritatea mor prenatal Modificri de tonus vascular i de metabolism energetic n stres Modificarea concentraiilor de leptin i insulin dup tratamentul cu agoniti

sinapsa glutamatergic

38

27/10/10

Sinapsa glutamatergica

Transportori sinaptici

39

27/10/10

sinapsa GABAergic

Benzodiazepines Nonbenzodiazepine (Zolpidem) Barbiturice Methaqualone Baclofen Muscimol Progabide Tiagabine Bicuculline Metrazol Flumazenil

40

27/10/10

Conducerea, transmiterea i procesarea semnalului n sistemul nervos i t lII. Transmiterea nonsinaptic Transmiterea hormonal Transmiterea auto- paracrin Transmiterea efaptic

Modularea transmiterii semnalului

41

27/10/10

Componenta trigger si de conducere trigger

Canale de Na+ voltaj- dependenteModularea activitiireceptor RACK Na+

Gk PLC

PKC activ PKC inactiv

P

Inhibarea C Na incetinirea inactivrii

Na1.8- PGE2 AMPC, efect opus TTX rezistentAli modulatori

DAG

Ptdins(4,5)P2

[Ca2+]

Muscarina Ach-PLC Dopamina,D1,AMPc,PKA Cocaina efectul DA Defosforilare Fosfataza 1,2a Calcineurina

42

27/10/10

43

27/10/10

44

27/10/10

45

27/10/10

46

27/10/10

47